Genomowe

klejnoty

W. WAYT GIBBS

i Êmieci

CIEMNOBRÑZOWE PLAMKI na êrenicy
mogà byç Êwiadectwem dzia∏ania ukrytego
genomu. Pewne cechy sà przekazywane
nie przez zwyk∏e geny, lecz na drodze
chemicznych modyfikacji chromosomów,
które z kolei sà cz´Êciowo regulowane
przez Êmieciowy DNA. W przeciwieƒstwie
do mutacji wspomniane modyfikacje sà
odwracalne i mogà powodowaç, ˝e okreÊlone
cechy pojawià si´ w niektórych komórkach
w innych zaÊ nie. (Bia∏y kràg na t´czówce
jest odbiciem Êwiat∏a).

Gdy ju˝ wydawa∏o si´,
˝e zagadka DNA
jest rozwik∏ana,
naukowcy odkryli
w chromosomach
dwa ogromne zasoby
informacji majàcych
wp∏yw na dziedziczenie,
rozwój i choroby

JAMIE KRIPKE

TGGGATAGCGAC

GA

GCCA

GTCTG

CTCTAGACAGACGTAGCATATGGGATAGCGACAGAC

GAC

GTAGCATATGGGAT

TGGGATAG

C

GACGAGCCAGTCTGC

TCT

AGACAGACGTAGCATAT

GG

GATAGCGACAGACGAC

GTA

GCATATGGGATA

poruszajà si´ w sposób niemo˝liwy do wyjaÊnienia, jeÊli
wziàç pod uwag´ prawa grawitacji i rozk∏ad Êwiecàcej
materii we WszechÊwiecie. Musieli si´ zgodziç, ˝e Wszech-
Êwiat nie jest a˝ tak pusty, jak si´ im zdawa∏o, ale dominuje
w nim jakiegoÊ rodzaju ciemna materia. Choç nikt nie wie,
z czego ona si´ sk∏ada ani jakie ma w∏asnoÊci, uczeni mogà
wnioskowaç o jej obecnoÊci na podstawie wp∏ywu, jaki wywie-
ra na Êwiecàcà materi´. Próby zrozumienia, czym jest ciemna
materia (a ostatnio tak˝e ciemna energia), oznacza∏y korek-
t´ lub odrzucenie dotychczasowych teorii. W konsekwencji
przyÊpieszy∏o to rozwój astrofizyki i kosmologii.

Podobnie dzieje si´ obecnie w genetyce molekularnej. W tym

roku genetycy obchodzili 50 rocznic´ odkrycia podwójnej he-
lisy DNA, ponadto og∏oszono „ostateczny szkic” sekwencji DNA
cz∏owieka. Wydawa∏o si´, ˝e naukowcy posiedli w∏adz´ nad
DNA. Jednak porównujàc materia∏ genetyczny daleko spokrew-
nionych gatunków i przyglàdajàc si´ bli˝ej funkcjonowaniu
chromosomów w komórkach, mo˝na zauwa˝yç zjawiska nie-
wyt∏umaczalne w ramach obowiàzujàcych obecnie teorii.

W czasopismach i na konferencjach roi si´ od nowych do-

wodów, zaprzeczajàcych przyj´temu poj´ciu genów jako od-
cinków DNA kodujàcych bia∏ka. Coraz wi´cej jest doniesieƒ,
˝e nie sà one jedynym êród∏em dziedzicznoÊci i pe∏nym zapi-
sem informacji, jak stworzyç ˝ycie. Podobnie jak tajemnicza
ciemna materia wp∏ywa na los galaktyk, tak niezbadane cz´-
Êci genomu sprawujà kontrol´ nad cechami wszystkich or-
ganizmów, od bakterii po ludzi.

Genom jest scenà dla wielu aktorów. Ich role sà jeszcze

nieznane, ale wiadomo, ˝e na pewno istniejà co najmniej dwa
przyk∏ady informacji zapisanej poza tradycyjnie rozumiany-

mi genami. Jeden z nich to rozleg∏e obszary sekwencji „nie-
kodujàcych”, wyst´pujàcych w obr´bie genów i pomi´dzy
nimi. Dawno temu opisano je jako nieistotne, poniewa˝ nie
determinujà syntezy bia∏ek. Jak jednak wyt∏umaczyç fakt, ˝e
wiele z nich nie zmieni∏o si´ przez miliony lat ewolucji? Ich
stabilnoÊç pozwala przypuszczaç, ˝e sà do czegoÊ niezb´d-
ne. Ten poglàd okaza∏ si´ s∏uszny – wiele niekodujàcych ob-
szarów jest transkrybowanych na RNA, który pe∏ni zdecydo-
wanie wi´cej funkcji, ni˝ wczeÊniej sàdzili biolodzy. Obecnie
cz´Êç naukowców jest zdania, ˝e tym, co czyni konkretnà oso-
b´ niepowtarzalnà, sà ró˝nice w „klejnotach” ukrytych wÊród
naszego Êmieciowego DNA.

W chromosomach znajduje si´ jeszcze inne êród∏o infor-

macji. Sà to modyfikacje epigenetyczne. Pewne czynniki,
zatopione w mieszaninie bia∏ek i innych zwiàzków chemicz-
nych, otaczajà, podtrzymujà i lepià si´ do DNA. Ich oddzia-
∏ywanie jest na razie tajemnicà. W przeciwieƒstwie do genów
czynniki epigenetyczne sà tworzone i usuwane na bie˝àco.
A zatem nie pozostajà na zawsze, a b∏´dy epigentyczne, wywo-
∏ujàce wady wrodzone, nowotwory i inne choroby (ich lista sta-
le roÊnie), mogà byç odwracalne. Uwzgl´dniajàc to, lekarze
poddajà eksperymentalnym terapiom chorych na bia∏aczk´.

„Badacze powoli zdajà sobie spraw´, ˝e wszystko, co mo-

˝e wydarzyç si´ w genomie, na pewno si´ wydarzy” – mówi
Carmen Sapienza z Temple University, która podj´∏a bada-
nia nad mechanizmami epigenetycznymi, gdy by∏y jeszcze
uwa˝ane za nieistotne anomalie. Sapienza uwa˝a, ˝e „zbli˝a
si´ najbardziej interesujàcy moment w genetyce – zapewne
uda si´ odkryç jakiÊ podstawowy mechanizm”.

Dogmat si´ chwieje

MIN

Ñ LATA

, a mo˝e dziesi´ciolecia, nim powstanie teoria wy-

jaÊniajàca, jak DNA, RNA i mechanizmy epigenetyczne two-
rzà spójny, zaz´biajàcy si´ i samoregulujàcy system. Nie ma
ju˝ najmniejszych wàtpliwoÊci, ˝e potrzebna jest nowa teoria,
która zastàpi dogmat, od lat pi´çdziesiàtych b´dàcy podsta-
wà genetyki molekularnej i biotechnologii

Do tej pory wszystko by∏o proste: DNA koduje RNA, RNA

koduje bia∏ka, a bia∏ka pe∏nià prawie wszystkie najwa˝niejsze
funkcje biologiczne. Informacja przechowywana jest w skr´-
conej drabinie DNA, a konkretnie w zasadach azotowych (po-
wszechnie oznaczanych A, T, G i C), które ∏àczà si´ w pary,
tworzàc szczeble tej drabiny. Gen – to zasady wyst´pujàce po
jednej stronie drabiny, w okreÊlonej kolejnoÊci.

36

ÂWIAT NAUKI GRUDZIE¡ 2003

n

Genetycy przez d∏ugi czas byli skupieni na tych fragmentach

genomu, które sà matrycà dla bia∏ek. Pozosta∏a cz´Êç – u ludzi
98% DNA – by∏a uznawana za Êmieci. Jednak odkrycie
wielu genów, które kodujà jedynie RNA, a nie bia∏ka,
zmieni∏o to przekonanie.

n

Na ogó∏ geny kodujàce tylko RNA sà krótkie i trudne

do identyfikacji. Mimo to niektóre z nich odgrywajà decydujàcà
rol´ w rozwoju i zdrowiu roÊlin i zwierzàt.

n

Aktywne formy RNA pomagajà regulowaç informacj´

zawartà w czynnikach epigenetycznych. Znajduje si´ ona
w chromosomach, ale poza sekwencjà DNA.

Przeglàd /

Ukryte geny

JakieÊ 20 lat temu

astronomowie doszli do przekonania, ˝e galaktyki

Dogmat zak∏ada, ˝e geny kodujà bia∏ka. Proces ten prze-

biega w czterech fazach: najpierw odpowiedni enzym za-
kotwicza si´ na chromosomie i przeÊlizgujàc si´ wzd∏u˝
genu, przepisuje jednà z nici DNA na RNA. Nast´pnie wszyst-
kie niekodujàce cz´Êci transkryptu RNA – czyli introny – sà
usuwane, a to, co pozostanie, sk∏adane jest w ca∏oÊç. Tak
tworzy si´ RNA informacyjny. Zawarte w nim dane ruszajà
z jàdra do zasadniczej cz´Êci komórki, gdzie maszyny mo-
lekularne „t∏umaczà” je na ∏aƒcuchy aminokwasów. W koƒ-
cu ka˝dy ∏aƒcuch skr´ca si´ i zwija do trójwymiarowej po-
staci bia∏ka.

To w∏aÊnie kszta∏t czyni bia∏ka tak wszechstronnymi. Nie-

które tworzà mi´Ênie i narzàdy, inne dzia∏ajà jako enzymy,
katalizujàc, metabolizujàc lub przekazujàc sygna∏. Bia∏ka re-
gulujà geny, zakotwiczajàc si´ w okreÊlonych regionach DNA
lub RNA. Nic dziwnego, ˝e wielu biologów (i dziennikarzy)
uzna∏o, ˝e tylko sekwencje kodujàce bia∏ka to geny. Oczywi-
Êcie z nielicznymi wyjàtkami.

„Zazwyczaj, gdy pojawiajà si´ informacje, ˝e ludzki genom

zawiera oko∏o 27 tys. genów, odnosi si´ to do genów kodujà-
cych bia∏ka” – podkreÊla Michel Georges, genetyk z Uniwer-
sytetu w Li¯ge w Belgii. Nawet bioràc pod uwag´, ˝e liczba
ta nie jest ostatecznie ustalona – szacunki wahajà si´ od 20 do
40 tys. genów – wydaje si´ ona potwierdzaç brak wyraênej
zale˝noÊci pomi´dzy liczbà genów danego organizmu a stop-
niem jego z∏o˝onoÊci”. Muszki owocowe majà mniej genów ni˝
robaki ob∏e, a ry˝ ma ich wi´cej ni˝ cz∏owiek – zauwa˝a John
S. Mattick, dyrektor Institute for Molecular Bioscience w Uni-
versity of Queensland w Brisbane w Australii. – Jednak iloÊç
niekodujàcego DNA wydaje si´ odpowiadaç skali z∏o˝onoÊci
organizmu”.

U organizmów wy˝szych geny „sk∏adajà si´ z fragmentów

kodujàcych bia∏ka, oddzielonych od siebie rozleg∏ymi obsza-
rami niekodujàcymi” – wyjaÊnia Mattick. Tak naprawd´ ob-
szary kodujàce stanowià mniej ni˝ 2% ludzkiego DNA za-
wartego w chromosomach. Musi byç jakiÊ powód, dlaczego

w prawie ka˝dej naszej komórce znajdujà si´ 3 mld nonsen-
sownych par zasad. Mimo to introny „natychmiast zacz´to
uwa˝aç za ewolucyjne Êmieci” – mówi Mattick.

To twierdzenie okaza∏o si´ zbyt pochopne. „Coraz cz´Êciej

przyjmuje si´, ˝e istnieje du˝y zbiór genów, które ewidentnie
sà funkcjonalne, choç nie kodujà ˝adnych bia∏ek”, sà odpo-
wiedzialne jedynie za powstanie RNA – zauwa˝a Georges.
Termin „gen” nigdy nie by∏ ÊciÊle zdefiniowany; a geny kodu-
jàce tylko RNA czynià t´ definicj´ jeszcze bardziej niejasnà.
Aby uniknàç nieporozumieƒ, „staramy si´ nie mówiç o ge-
nach. Odcinek DNA, który jest przepisywany na RNA, raczej
okreÊlamy jako jednostk´ transkrypcyjnà” – mówi Claes Wah-
lestedt z Karolinska Institutet w Szwecji.

Na podstawie analizy mysiego genomu „szacujemy, ˝e ta-

kich jednostek b´dzie od 70 do 100 tys. – og∏osi∏a Wahlestedt
na Mi´dzynarodowym Kongresie Genetyki, który odby∏ si´ w
lipcu br. w Melbourne. – Po∏owa z nich mo˝e byç niekodujà-
ca”. JeÊli to prawda, na ka˝dà sekwencj´ DNA kodujàcà bia∏-
ko przypada jedna, która wytwarza aktywne czàsteczki RNA,
nieb´dàce matrycà bia∏ka. Potrafià one jednak bezpoÊrednio
oddzia∏ywaç na zachowanie komórki.

To, co jest prawdà w przypadku myszy, zwykle sprawdza

si´ tak˝e u cz∏owieka i pozosta∏ych zwierzàt. Zespó∏ naukow-
ców z National Human Genome Research Institute (NHGRI
– Paƒstwowego Instytutu Badawczego Ludzkiego Genomu)
porówna∏ ostatnio fragmenty genomów cz∏owieka, krowy,
szczura, psa, Êwini i siedmiu innych gatunków ssaków. Anali-
za komputerowa ujawni∏a, ˝e u kilku gatunków zwierzàt wy-
st´pujà 1194 prawie identyczne odcinki DNA. To nieoceniona
wskazówka ich wk∏adu w ewolucyjne dostosowanie gatunku.
Ku zdziwieniu badaczy tylko 244 z nich koduje bia∏ka. Oko∏o
dwóch trzecich sekwencji le˝y w obr´bie intronów, a reszta
jest rozproszona poÊród mi´dzygenowego Êmieciowego DNA.

„MyÊl´, ˝e to klasyczny przypadek ignorowania faktów

przez dominujàcy trend w nauce. W tym wypadku trwa∏o to
çwierç wieku – mówi Mattick. – Niezauwa˝one nast´pstwa

GRUDZIE¡ 2003

ÂWIAT NAUKI

37

ZA ZGODÑ JA

VIERA F

. P

AL

A

T

NIKA I IN.,

NA

TURE

; 20 VIII 2003 (doi: 10.1038/nature01958)

DU˚E RÓ˚NICE w wyglàdzie i zdrowiu organizmów mogà mieç êród∏o w zmianach ma∏ych, nietypowych genów. Rzodkiewnik normalnie ma liÊcie
∏y˝eczkowatego kszta∏tu (z lewej), ale gdy naukowcy zak∏ócili dzia∏anie pewnego mikroRNA, powsta∏ego wy∏àcznie na podstawie genu zakodowanego
w RNA, w zmutowanej roÊlinie wystàpi∏y powa˝ne anomalie (z prawej). Ten mikroRNA prawdopodobnie kontroluje wiele genów.

tych faktów, szczególnie mo˝liwoÊci równoleg∏ego przekazy-
wania informacji pod postacià czàsteczek samego RNA, mo-
˝e z powodzeniem przejÊç do historii jako jedna z najwi´k-
szych pomy∏ek w historii biologii molekularnej”.

Wi´cej ni˝ pos∏aniec

TERAZ BIOLODZY

ponownie zwrócili uwag´ na RNA. Odkryli, ˝e

czàsteczka ta ma niezwyk∏e zdolnoÊci. Podobnie jak bia∏ka
niektóre transkrypty RNA mogà oddzia∏ywaç z innymi czà-
steczkami RNA, DNA, bia∏kami lub nawet z niskoczàstecz-
kowymi zwiàzkami.

Bia∏ka wià˝à si´ z czàsteczkà docelowà bardziej na zasa-

dzie klucza i zamka. „Pi´kno RNA polega na tym, ˝e ma on
okreÊlonà sekwencj´, a zatem jest czymÊ w rodzaju kodu

pocztowego” – zauwa˝a Mattick. Czàsteczka RNA krà˝y po
komórce, a˝ wpadnie na DNA (albo innà czàsteczk´ RNA) o
komplementarnej sekwencji; wtedy dwie po∏ówki drabinki
∏àczà si´ szczeblami.

Rozwa˝my pseudogeny jako przyk∏ad nieocenionej pot´-

gi RNA. Analizy ludzkiego DNA wykazujà istnienie niemal
identycznej liczby genów i pseudogenów. Sà one uszkodzony-
mi kopiami funkcjonalnych genów i przez dziesi´ciolecia
by∏y spisane na straty jako molekularne skamienia∏oÊci, po-
zosta∏oÊci genów rozbite przez mutacje i porzucone przez
ewolucj´. W maju ub.r. grupa japoƒskich genetyków, kiero-
wana przez Shinji Hirotsune z Akademii Medycznej Saita-
ma w Japonii, og∏osi∏a odkrycie pierwszego dzia∏ajàcego
pseudogenu.

Hirotsune metodami in˝ynierii genetycznej wprowadza∏

do myszy gen muszki owocowej, zwany sex-lethal (p∏eç-Êmier-
telna). Wi´kszoÊç myszy radzi∏a sobie z obcym genem, lecz
jedna linia mutantów umiera∏a wkrótce po urodzeniu. Po
dok∏adnych obserwacjach tych myszy naukowcy stwierdzili,
˝e gen sex-lethal w∏àczy∏ si´ w Êrodek pseudogenu zwanego
makorin1-pl

. Jest on skróconà wersjà genu makorin1, który

wyst´puje zarówno u myszy, jak i muszki owocowej, roba-
ków i wielu innych gatunków. Naukowcy nie potrafià okreÊliç,
co robi makorin1, ale wiedzà, ˝e myszy majà mnóstwo kopii
jego pseudogenów. ˚aden z nich nie koduje bia∏ka. Skoro
pseudogeny nie pe∏nià ˝adnej roli, to dlaczego myszy umiera-
jà, gdy stracà jeden z nich?

Z jakiegoÊ powodu makorin1 – i najwidoczniej tylko on – nie

chce si´ wy∏àczyç, gdy jego pseudogen jest uszkodzony.
Inaczej mówiàc, RNA powsta∏y z pseudogenu kontroluje eks-
presj´ „prawdziwego” genu, którego sekwencj´ naÊladuje,
mimo ˝e oba le˝à na innych chromosomach. Nie ma w tym
niczego pseudo.

Jest jeszcze zbyt wczeÊnie, by stwierdziç, czy pseudogeny

dajà poczàtek aktywnym czàsteczkom RNA. W zakamarkach
genomu ukrywajà si´ tak˝e inne ich êród∏a. Ka˝dy zwyk-
∏y gen, który koduje bia∏ko, ma komplementarnà sekwencj´ po
przeciwnej stronie drabiny i zazwyczaj nie jest ona trans-
krybowana na RNA. Biolodzy lubià o niej myÊleç jako o ko-

pii bezpieczeƒstwa, poniewa˝ komórka mo˝e jej u˝yç, aby
naprawiç uszkodzenia genu.

W pewnych wypadkach kopia bezpieczeƒstwa ma w∏asny

plan. Podczas gdy gen koduje sensownà informacj´ w posta-
ci RNA, jego alter ego mo˝e kodowaç masowo antysensowny
RNA o komplementarnej sekwencji. Gdy sensowny i antysen-
sowny RNA si´ spotkajà, dopasowujà si´ i tworzà dwunicio-
wà drabin´. Taka konstrukcja blokuje zdolnoÊç genu do eks-
presji bia∏ka.

Biolodzy wiedzieli, ˝e bakterie i roÊliny mogà wytwarzaç

antysensowny RNA, lecz wi´kszoÊç uwa˝a∏a, ˝e u ssaków
proces ten zachodzi rzadko. W kwietniu Galit Rotman i jej
wspó∏pracownicy z CompuGen, firmy biotechnologicznej
mieszczàcej si´ w Tel Awiwie-Jaffie, zweryfikowali te przy-

puszczenia. Naukowcy przeszukali bazy danych ludzkiego
genomu i stwierdzili, ˝e przynajmniej 1600 genów (a praw-
dopodobnie wiele wi´cej) ma swoje odpowiedniki kodujàce an-
tysensowny RNA. Mogà one t∏umiç ekspresj´ genu, wià˝àc
si´ z jego RNA informacyjnym.

Rotman przypuszcza, ˝e czàsteczki te dzia∏ajà jako geno-

mowy cenzor, znany równie˝ pod nazwà interferencji RNA.
Naukowcy wcià˝ pozostajà pod wra˝eniem odkrytego kilka lat
temu schematu selektywnego wyciszania konkretnych genów.
Kiedy w komórce pojawia si´ dwuniciowy RNA, enzymy na-
tychmiast go szatkujà i oddzielajà od siebie dwie nici. Na-
st´pnie jeden fragment RNA u˝ywany jest do wykrywania i
niszczenia ka˝dego RNA informacyjnego, który do niego pa-
suje. Taki system chroni komórk´ przed wirusami, które cz´-
sto przechowujà swój genom w∏aÊnie w formie dwuniciowe-
go RNA. Istnienie genomowej cenzury dostarcza naukowcom
wygodnego sposobu na precyzyjne wy∏àczanie genów [patrz:
Nelson C. Lau i David P. Bartel „Cenzorzy genów”; Âwiat Na-
uki

, wrzesieƒ 2003].

Niemniej jednak ani pseudogeny, ani antysensowny RNA

nie wyjaÊniajà pochodzenia pofa∏dowanych liÊci, które De-
tlef Weigel z Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie w
Tybindze w Niemczech zaobserwowa∏ tego lata u rzodkiewnika
(Arabidopsis thaliana). Normalnie roÊliny te majà g∏adkie
liÊcie ∏y˝eczkowanego kszta∏tu. Weigel wykaza∏ w Nature (w
sierpniu 2002 roku), ˝e po cz´Êci jest to spowodowane ak-
tywnoÊcià pewnego rodzaju RNA, zwanego mikroRNA.

MikroRNA odkryto kilka lat temu u robaków ob∏ych. Czà-

steczki te sà krótkimi niekodujàcymi RNA tworzàcymi struk-
tury podobne do szpilki do w∏osów. U rzodkiewnika se-
kwencje mikroRNA, zwane JAW, zginajà si´ wpó∏, tworzàc
dwuniciowy RNA. Komórkowe mechanizmy interferencji
RNA wychwytujà je tak samo jak materia∏ pochodzàcy z wi-
rusa. Tyle tylko ˝e sekwencja JAW odpowiada sekwencji gru-
py genów nale˝àcych do rodziny kontrolujàcej rozmiar i kszta∏t
roÊliny. Cenzor skrupulatnie hamuje ich ekspresj´, tnàc wi´k-
szoÊç wytwarzanego z tych genów mRNA. A zatem JAW, nie-
wielki gen kodujàcy jedynie RNA, jest g∏ównà dêwignià, za
pomocà której komórki rzodkiewnika regulujà aktywnoÊç

38

ÂWIAT NAUKI GRUDZIE¡ 2003

Przekonanie o ma∏ym znaczeniu intronów mo˝e przejÊç do historii
jako jedna z najwi´kszych pomy∏ek w biologii molekularnej.

GRUDZIE¡ 2003

ÂWIAT NAUKI

39

ZGODNIE Z OBIEGOWÑ WIEDZÑ geny sà odcinkami
DNA kodujàcymi funkcjonalne bia∏ka. Takie sekwencje
stanowià jednak tylko 2% ludzkiego genomu.
Reszta jest wype∏niona niekodujàcym, bezu˝ytecznym

DNA. Naukowcy odkrywajà, ˝e z wielu takich genów
powstaje zadziwiajàco aktywny RNA, w∏àczajàc
w to czàsteczki, które wyciszajà lub regulujà
zwyk∏e geny.

Antysensowny RNA powstaje na komplementarnej nici DNA, która
w podwójnej helisie znajduje si´ naprzeciw genu kodujàcego bia∏ko.
Ten RNA mo˝e wychwytywaç mRNA transkrybowany z genu,
zapobiegajàc jego translacji na bia∏ko.

Antysensowny RNA ∏àczy si´
z komplementarnym mRNA,
blokujàc jego translacj´
na bia∏ko.

Gen

Sekwencja prze∏àcznika RNA

Transkrypt RNA

Odcinek kodujàcy

Komplementarna niç DNA

Antysensowny RNA

Zwyk∏y mRNA

Gen kodujàcy

bia∏ko

Jàdro komórkowe

Uszkodzony

intron

Intron

MikroRNA

Dojrza∏y mRNA

Prze∏àcznik RNA

Zaatakowany RNA

Sekwencja

kodujàca

bia∏ko

Wiàzana
czàsteczka

Forma

aktywna

Produkt

bia∏kowy

Sekwencja

niekodujàca

bia∏ka

Prze∏àczniki RNA sà nowo odkrytymi
formami dzia∏ajàcymi jak precyzyjne
prze∏àczniki genetyczne. W wielu
wypadkach sà one produkowane
przez niekodujàce fragmenty DNA
znajdujàce si´ mi´dzy znanymi
genami. Prze∏àcznik RNA zwija si´
w skomplikowanà struktur´. Jedna
jego cz´Êç mo˝e wiàzaç okreÊlonà
czàsteczk´ chemicznà lub bia∏ko,
a druga zawiera RNA kodujàcy
bia∏ko. Prze∏àcznik RNA produkuje
kodowane przez siebie bia∏ko tylko
w obecnoÊci okreÊlonej czàsteczki.

Geny kodujàce bia∏ka zawierajà sekwencje niekodujàce,
zwane intronami. Introny sà usuwane z pierwotnego
transkryptu RNA, a nast´pnie sekwencje kodujàce
sà sk∏adane w dojrza∏y mRNA. Choç wiele intronów

ulega zniszczeniu, niektóre

ukrywajà aktywne czynniki,

takie jak mikroRNA, które

mogà wywo∏ywaç efekt

interferencji RNA. W ten

sposób kontrolujà inne geny.

TERESE WINSL

O

W

MECHANIZM DZIA¸ANIA NIETYPOWYCH GENÓW

Maszyneria interferencji RNA przetwarza mikroRNA,
by wykorzystaç go do zniszczenia mRNA powsta∏ego
z konkretnych genów. To efektywnie zapobiega ich ekspresji.

Forma

nieaktywna

wielu istotnych genów bia∏kowych. Kiedy zespó∏ Weigla zmo-
dyfikowa∏ roÊliny tak, ˝e mikroRNA nie móg∏ pe∏niç swej ro-
li, sta∏y si´ one chore i zdeformowane.

W ciàgu trzech lat naukowcy znaleêli setki czàsteczek mi-

kroRNA. U samego cz∏owieka odkryto ich ponad 150. Wyda-
je si´, ˝e za ich pomocà organizmy kontrolujà aktywnoÊç
genów. Prawie po∏owa ludzkiego mikroRNA jest niemal iden-
tyczna z obecnym w genomie ryby z rodziny kolcobrzucho-
watych Fugu rubripes. A przecie˝ drogi obu tych gatunków ro-
zesz∏y si´ jakieÊ 400 mln lat temu!

Co dok∏adnie robià czàsteczki mikroRNA u cz∏owieka, po-

zostaje tajemnicà. Anna M. Krichevsky z Harvard Medical
School podejrzewa, ˝e m.in. pe∏nià one istotnà rol´ w rozwo-

ju mózgu. Jej laboratorium u˝y∏o chipu genowego do poszu-
kiwaƒ 44 ró˝nych rodzajów mikroRNA w mysich neuronach.
We wrzeÊniu Krichevsky donosi∏a, ˝e u myszy poziom przy-
najmniej dziewi´ciu ró˝nych mikroRNA jest precyzyjnie re-

gulowany w trakcie wzrostu mózgu. Nie ma bezpoÊredniej za-
le˝noÊci, ale – jak zauwa˝a Diya Banerjee z Yale University
w zesz∏orocznym przeglàdzie naukowym o mikroRNA – „je-
steÊmy na kraw´dzi eksplozji wiedzy w tej dziedzinie”.

Cyfrowo i analogowo

NAWET JE

ÂLI BIA¸KA

sà koƒmi pociàgowymi komórki, to czasa-

mi aktywne czàsteczki RNA trzymajà bat. Istniejà pewne
rodzaje RNA, które Êwietnie sobie radzà w ˝mudnej pracy:
katalizujà, sygnalizujà oraz prze∏àczajà. Robià to tak dobrze
jak bia∏ka.

D∏ugo nie mo˝na by∏o ustaliç pod∏o˝a niektórych chorób

genetycznych, poniewa˝ naukowcy, uparcie szukajàc zmuto-

wanych bia∏ek, zignorowali aktywny RNA, który mieli pod
nosem. Lekarze przez ponad dziewi´ç lat próbowali wytropiç
gen odpowiedzialny za hipoplazj´ chrzàstkowo-w∏osowà (CHH
– cartilage hair hypoplasia). Ta recesywna choroba po raz
pierwszy zosta∏a zidentyfikowana u amiszów. W tej grupie
jedna osoba na 19 ma kopi´ uszkodzonego genu, który po-
woduje kar∏owatoÊç. Ludzie z CHH sà nie tylko drobnej po-
stury, ale nale˝à tak˝e do grupy podwy˝szonego ryzyka
zachorowania na raka i wystàpienia zaburzeƒ immunologicz-
nych. Genetyk Maaret Ridanpää z Uniwersytetu w Helsin-
kach doszed∏ do wniosku, ˝e podejrzany gen znajduje si´ na
chromosomie 9, którego du˝y obszar ten naukowiec zsekwen-
cjonowa∏. Niestety, sprawdzenie 10 genów kodujàcych bia∏ka,
które le˝a∏y w wybranym rejonie, nie przynios∏o oczekiwa-
nych rezultatów. ˚aden z nich nie powodowa∏ choroby.

Ostatecznie, w 2001 roku Ridanpää i jego wspó∏pracowni-

cy zidentyfikowali sprawc´. Okaza∏ si´ nim gen kodujàcy jedy-
nie RNA, zwany RMRP. RNA transkrybowany z RMRP ∏àczy
si´ z bia∏kami i tworzy enzym dzia∏ajàcy wewnàtrz mitochon-
driów – komórkowych centrów energetycznych. Zamiana jed-
nej zasady w krytycznym punkcie tego RNA mo˝e oznaczaç
ró˝nic´ pomi´dzy d∏ugim i zdrowym ˝yciem a krótkim i trud-
nym (jeÊli mutacja jest dziedziczona po obojgu rodzicach). Ostat-
nio odkryto, ˝e taki analogowy RNA, który zwija si´ w z∏o˝one
struktury, tak jak to robià bia∏ka, jest niezb´dny dla dzia∏ania
enzymów chroniàcych chromosomy. Towarzyszy tak˝e bia∏kom
sygna∏owym transportowanym na zewnàtrz komórki.

Mo˝liwe, ˝e najbardziej intrygujàcà odkrytà dotychczas

formà RNA jest prze∏àcznik RNA. Zosta∏ on wyizolowany w
zesz∏ym roku w laboratorium Ronalda R. Breakera w Yale
University. Naukowcy zastanawiali si´, jak miliony lat temu,
zanim powsta∏y bia∏ka i DNA, prekursorzy ˝ycia radzili so-
bie w Êwiecie RNA. Podejrzewano, ˝e takie protoorganizmy
musia∏y u˝ywaç RNA jako czujników i prze∏àczników, aby re-
agowaç na zmiany Êrodowiska i w∏asnego metabolizmu. Aby
sprawdziç t´ hipotez´, spróbowano stworzyç RNA o takich
w∏aÊciwoÊciach.

„Nasze laboratorium z powodzeniem wyprodukowa∏o wie-

le syntetycznych prze∏àczników RNA” – przypomina Breaker.
Podwójne prze∏àczniki sk∏adajàce si´ z d∏ugich ∏aƒcuchów

40

ÂWIAT NAUKI GRUDZIE¡ 2003

To co genetycy uznali za Êmieci, prawdopodobnie
oka˝e si´ podstawà z∏o˝onoÊci cz∏owieka.

Genetyko, naprzód!

OD KIEDY WYNALEZIENIE technik rekombinacji DNA
umo˝liwi∏o zaistnienie in˝ynierii genetycznej, wi´kszoÊç badaƒ
tego typu by∏a prowadzona od koƒca. Jest to okreÊlane
jako tzw. odwrotna genetyka i polega na zidentyfikowaniu genu,
którym potem naukowiec „bawi si´”, zmieniajàc go,
a nast´pnie wprowadzajàc do hodowli tkankowych,
lub do ˝ywego organizmu. W ten sposób badacz próbuje
odgadnàç jego funkcj´. Jest to klasyczne podejÊcie
i mo˝e ono dawaç bardzo dobre efekty.

Jednak odkrycie, ˝e DNA zawiera ukryte geny – funkcjonalne

sekwencje mylnie sklasyfikowane jako Êmieci – ujawnia
g∏ówny problem odwrotnej genetyki; mo˝e ona ograniczaç
pole widzenia. Dlatego wielu naukowców wraca do dawnej
praktyki – badaƒ genetycznych „wprost” – jako sposobu
identyfikacji nieznanych genów, zarówno konwencjonalnych,
jak i niekonwencjonalnych.

Phenomix, firma biotechnologiczna z La Jolla w Kalifornii,

ma nadziej´ zarobiç na takim podejÊciu do problemu. Za∏o˝yli jà
w zesz∏ym roku naukowcy z najlepszych zespo∏ów genetycznych.
W Phenomix opracowano rodzaj linii produkcyjnej
transgenicznych myszy. W ka˝dej grupie gryzoni losowo
wywo∏uje si´ mutacje w zwyk∏ych genach kodujàcych bia∏ka
i w tych ukrytych, kodujàcych aktywne formy RNA. Phenomix
u˝ywa myszy zdrowych i takich, które cierpià na odpowiedniki
ludzkich chorób: cukrzyc´, astm´, schorzenia reumatyczne
czy chorob´ Parkinsona. Niektóre mutacje nasilajà, a inne
∏agodzà objawy tych schorzeƒ. Badacze przeszukujà genom,
próbujàc ustaliç, która mutacja powoduje okreÊlony efekt.
Zobaczymy, czy to podejÊcie przyczyni si´ do opracowania
nowych leków. Dzi´ki badaniom „wprost” ju˝ uda∏o si´ wykryç
takie zjawiska, na przyk∏ad funkcjonalne pseudogeny,
których istnienia nikt nie podejrzewa∏ (patrz tekst g∏ówny).

RNA sà kodujàce i niekodujàce zarazem. Podczas zwijania
si´ RNA niekodujàcy koniec staje si´ czu∏ym receptorem kon-
kretnego zwiàzku chemicznego. Zderzenie z nim uruchamia
prze∏àcznik, powodujàc zmian´ kszta∏tu jego przeciwnego
koƒca, zawierajàcego matryc´ do syntezy bia∏ka. A zatem
prze∏àcznik RNA daje poczàtek bia∏ku, ale tylko wtedy, gdy wy-
kryje odpowiedni zwiàzek.

Zespó∏ Breakera rozpoczà∏ polowanie na takie czàsteczki

RNA wyst´pujàcego w naturze i wkrótce znalaz∏ je ukryte w
mi´dzygenowym DNA. Te precyzyjne narz´dzia genetyczne
wyst´pujà we wszystkich trzech królestwach organizmów
˝ywych (aktualnie wyró˝nia si´ najcz´Êciej pi´ç królestw
– przyp. red.). „To sugeruje, ˝e mia∏ je ostatni wspólny przo-
dek, wkrótce po rozpocz´ciu si´ ewolucji” – dowodzi Breaker.

W sierpniu Breaker ze wspó∏pracownikami poinformowa∏,

˝e jedna z rodzin prze∏àczników RNA reguluje ekspresj´ co
najmniej 26 genów Bacillus subtilis, pospolitej glebowej bak-
terii. Nie sà to jakieÊ tam geny – bakteria potrzebuje ich do me-
tabolizmu tak niezb´dnych substancji jak siarka i aminokwa-
sy. Breaker szacuje, ˝e przynajmniej 68 genów B. subtilis
znajduje si´ pod kontrolà prze∏àczników RNA. To blisko 2%
genomu tej bakterii. W jego laboratorium ju˝ zacz´to kon-
struowaç hybrydy sk∏adajàce si´ z analogowo-cyfrowych czà-
steczek. Naukowcy chcà je zatrudniç na przyk∏ad do selek-
tywnego zabijania patogenów.

Obraz ca∏oÊci

NOWY RODZAJ

genów kodujàcych aktywny RNA odkryto w d∏ugo

pomijanych fragmentach DNA – intronach i obszarach mi´dzy-
genowych. Wówczas genetycy zdali sobie spraw´, ˝e naukowcy
nadal sà daleko od ustalenia kompletnej listy sk∏adowych cz∏o-
wieka czy dowolnego organizmu wy˝szego. W przeciwieƒstwie
do genów bia∏kowych, majàcych standardowe sygna∏y „start”
i „stop”, geny RNA sà tak bardzo zró˝nicowane, ˝e wy∏awiajàc
je z sekwencji DNA, nie mo˝na polegaç tylko na programach
komputerowych. Aby usprawniç t´ technik´, National Human

Genome Research Institute uruchamia ambitny projekt – Ency-
clopedia of DNA Elements. Jego celem jest skatalogowanie w cià-
gu trzech lat wszystkich rodzajów RNA i bia∏ek wytwarzanych
przez wybrany 1% ludzkiego genomu. Koszt projektu jest sza-
cowany na 36 mln dolarów.

Nikt jeszcze nie wie, jaki b´dzie obraz biologii, gdy zosta-

nà ujawnione ukryte dotàd zasoby informacji. „RzeczywiÊcie,
to, co zosta∏o uznane za Êmieç, mo˝e si´ okazaç fundamentem
z∏o˝onoÊci cz∏owieka” – sugeruje Mattick. Pseudogeny czy
prze∏àczniki RNA sà prawdopodobnie najlepszym dowodem
na to, ˝e tak jest. Okazuje si´, ˝e aktywny RNA w du˝ej mie-
rze pomaga kontrolowaç struktur´ chromosomów oraz nad-
zoruje jedne z najbardziej istotnych zmian, jakim one ulega-
jà – modyfikacje na poziomie informacji epigenetycznej
zawartej w genomie.

Wyniki badaƒ informacji epigenetycznej pozwalajà od-

powiedzieç na odwieczne pytania: jak ludzki genom przetrwa∏
z takà iloÊcià pozornie bezu˝ytecznych Êmieci czy wr´cz pa-
so˝ytniczych odcinków DNA?, dlaczego tak trudno sklonowaç
doros∏e zwierz´, choç tak ∏atwo embrion?, dlaczego pewne ce-
chy „przeskakujà” o pokolenie w nieprzewidywalny sposób? W
nast´pnym numerze w uzupe∏nieniu tego artyku∏u przedstawi-
my ostatnie odkrycia wyjaÊniajàce dzia∏anie chromosomalnych
zasobów informacji epigenetycznej i opiszemy wst´pne próby wy-
korzystania tych zjawisk w biotechnologii i medycynie.

n

W. Wayt Gibbs jest redaktorem

Scientific American.

GRUDZIE¡ 2003

ÂWIAT NAUKI

41

PRAWIE IDENTYCZNE. Te myszy pochodzà z jednego miotu szczepu otrzymanego w wyniku d∏ugotrwa∏ego chowu wsobnego. Wszystkie majà
praktycznie taki sam DNA, a mimo to kolor ich sierÊci waha si´ od z∏ocisto˝ó∏tego po mahoniowy bràz. Jest to spowodowane zró˝nicowaniem
czynników epigenetycznych – chemicznych modyfikacji okreÊlonych fragmentów DNA na odcinkach niepokrywajàcych si´ z którymkolwiek ze
znanych genów. Obecnie ˝adna z teorii genetycznych nie potrafi przewidzieç barwy futra tych myszy.

HUGH MORGAN

Non-Coding RNA Genes and the Modern RNA World. Sean R. Eddy

Nature Reviews Genetics

, tom 2, s. 919-929; XII/2001.

An Expanding Universe of Noncoding RNAs. Gisela Storz; Science, tom

296, s. 1260-1263; 17 V 2002.

Widespread Occurrence of Antisense Transcription in the Human Genome.
Rodrigo Yelin i in.; Nature Biotechnology, tom 21 s. 379-385; IV/2003.
Challenging the Dogma: The Hidden Layer of Non-Protein-Coding RNAs

in Complex Organisms. John S. Mattick; BioEssays, tom 25, s. 930-
939; X/2003.

JEÂLI CHCESZ WIEDZIEå WI¢CEJ